(57)【要約】【課題】三元触媒装置の上流側の空燃比センサの出力に基づき燃焼空燃比を所望空燃比に制御する内燃機関の空燃比制御装置において、フューエルカット直後のリッチ化制御によりＯ2ストレージ能力により三元触媒装置に吸蔵されている酸素をほぼ全て放出させることを可能とする。【解決手段】三元触媒装置の上流側の空燃比センサの出力は、三元触媒装置の下流側の酸素センサの出力変化に基づく微分項により補正され、フューエルカット直後のリッチ化制御においてＯ2ストレージ能力により三元触媒装置に吸蔵された酸素がほぼ全て放出されたと判断される（ステップ１０５）までは、微分項による空燃比センサの出力の補正を禁止又は抑制する（ステップ１０２）。【選択図】図３
2007198259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気系の三元触媒装置の上流側に配置されて排気ガスの空燃比に対応して出力が変化する空燃比センサと、機関排気系の前記三元触媒装置の下流側に配置されて排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍の時に出力が急激に変化する酸素センサとを具備し、前記空燃比センサの出力に基づき燃焼空燃比を所望空燃比に制御する内燃機関の空燃比制御装置において、前記空燃比センサの出力は、前記酸素センサの出力変化に基づく微分項により補正され、フューエルカット直後のリッチ化制御においてＯ2ストレージ能力により前記三元触媒装置に吸蔵された酸素がほぼ全て放出されたと判断されるまでは、前記微分項による前記空燃比センサの出力の補正を禁止又は抑制することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記三元触媒装置の劣化状態に基づき決定された期間がリッチ化制御開始から経過した時に、フューエルカット直後のリッチ化制御においてＯ2ストレージ能力により前記三元触媒装置に吸蔵された酸素がほぼ全て放出されたと判断することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記酸素センサの出力が、設定リッチ空燃比に対応する値となった時に、フューエルカット直後のリッチ化制御においてＯ2ストレージ能力により前記三元触媒装置に吸蔵された酸素がほぼ全て放出されたと判断することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
機関排気系に排気ガスの空燃比に応じてリニアに出力が変化する空燃比センサを配置し、この空燃比センサの出力に基づき燃焼空燃比を所望空燃比に制御することが提案されている。機関排気系には、一般的に、排気ガスを浄化するための三元触媒装置が配置されている。三元触媒装置は、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍である時に排気ガスを良好に浄化するものであるために、一般的に、三元触媒装置に流入した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時には余剰分の酸素を吸蔵し、三元触媒装置に流入した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチである時には不足分の酸素を放出し、三元触媒装置内の排気ガスの空燃比を理論空燃比近傍とするＯ2ストレージ能力を有している。
【０００３】
それにより、燃焼空燃比を検出するための空燃比センサは、検出する排気ガスの空燃比が三元触媒装置のＯ2ストレージ能力により影響されないように、三元触媒装置の上流側に配置されている。ところで、空燃比センサによる空燃比制御を正確なものとするためには、三元触媒装置の下流側に、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍である時に出力が急変する酸素センサを配置し、Ｏ2ストレージ能力によって変化が緩やかにされる酸素センサの出力に基づき、空燃比センサの出力のリッチ側又はリーン側へのずれを補正するようにしている。
【０００４】
酸素センサの出力に基づく空燃比センサの出力の補正は、一般的に、目標空燃比を理論空燃比とする運転において、酸素センサの理論空燃比に対応する基準出力と酸素センサの実際の出力との偏差に基づく比例項と、この偏差の積算値に基づく積分項とを使用するものである。積分項は、空燃比センサの出力の最近の傾向的なずれを補正するものであり、比例項は、積分項により補正された空燃比センサの出力の今回のずれを補正するものである。積分項は、例えば、設定回数の酸素センサの偏差が算出された時を更新時期とし、空燃比センサの現状に合うように更新される。
【０００５】
ところで、内燃機関において、燃料消費を低減するために、フューエルカットが機関減速時毎のように頻繁に行われるようになっている。フューエルカットが実施されると、三元触媒装置には、排気ガスとして空気が流入することとなり、空気中の多量の酸素がＯ2ストレージ能力によって三元触媒装置に吸蔵されてしまう。排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンとなってもリッチとなっても排気ガスの良好な浄化を可能とするためには、三元触媒装置には、Ｏ2ストレージ能力による最大吸蔵可能酸素量の約半分に相当する所望量の酸素を吸蔵しておくことが好ましい。それにより、一般的には、フューエルカット直後において、フューエルカット中に所望量を超えて吸蔵された酸素を放出させて所望量の酸素しか吸蔵されていないようにするために、燃焼空燃比をリッチにするリッチ化制御が実施される。
【０００６】
フューエルカット中及びリッチ化制御中には、理論空燃比を基準とした酸素センサの出力の偏差は、当然のごとく大きな絶対値を有し、意味のない値となる。フューエルカット中には空燃比制御は不必要であるが、リッチ化制御中には、燃焼空燃比を所望リッチ空燃比とする空燃比制御が必要であり、この空燃比制御において、積分項により空燃比センサの出力の補正を実施して、比例項による空燃比センサの出力の補正は禁止することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−６１３５６
【特許文献２】特開２０００−１０５８３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、酸素センサの出力変化の大きさに応じた微分項により空燃比センサの出力をさらに補正することも提案されている。前述の背景技術では、リッチ化制御によりＯ2ストレージ能力の最大吸蔵可能酸素量の約半分まで吸蔵された酸素を放出させるものであり、このリッチ化制御中には、酸素センサの出力は、リーンを示す値で推移して大きく変化することはない。それにより、微分項に関する記載はないが、微分項による補正を実施しても、酸素センサの出力変化が小さいために微分項の絶対値も小さくなり、特に問題はない。
【０００９】
しかしながら、リッチ化制御において、Ｏ2ストレージ能力により三元触媒装置に吸蔵されている酸素を全て放出させる場合には、リッチ化制御の末期において、酸素センサの出力は、リーンを示す値からリッチを示す値へ急激に変化し、この時に、微分項により空燃比センサの出力が補正されると、燃焼空燃比は大幅にリーン側へ補正されて、吸蔵酸素を十分に放出させることができないことがある。
【００１０】
従って、本発明の目的は、三元触媒装置の上流側の空燃比センサの出力に基づき燃焼空燃比を所望空燃比に制御する内燃機関の空燃比制御装置において、フューエルカット直後のリッチ化制御によりＯ2ストレージ能力により三元触媒装置に吸蔵されている酸素をほぼ全て放出させることを可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置は、機関排気系の三元触媒装置の上流側に配置されて排気ガスの空燃比に対応して出力が変化する空燃比センサと、機関排気系の前記三元触媒装置の下流側に配置されて排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍の時に出力が急激に変化する酸素センサとを具備し、前記空燃比センサの出力に基づき燃焼空燃比を所望空燃比に制御する内燃機関の空燃比制御装置において、前記空燃比センサの出力は、前記酸素センサの出力変化に基づく微分項により補正され、フューエルカット直後のリッチ化制御においてＯ2ストレージ能力により前記三元触媒装置に吸蔵された酸素がほぼ全て放出されたと判断されるまでは、前記微分項による前記空燃比センサの出力の補正を禁止又は抑制することを特徴とする。
【００１２】
本発明による請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記三元触媒装置の劣化状態に基づき決定された期間がリッチ化制御開始から経過した時に、フューエルカット直後のリッチ化制御においてＯ2ストレージ能力により前記三元触媒装置に吸蔵された酸素がほぼ全て放出されたと判断することを特徴とする。
【００１３】
本発明による請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記酸素センサの出力が、設定リッチ空燃比に対応する値となった時に、フューエルカット直後のリッチ化制御においてＯ2ストレージ能力により前記三元触媒装置に吸蔵された酸素がほぼ全て放出されたと判断することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、フューエルカット直後のリッチ化制御においてＯ2ストレージ能力により三元触媒装置に吸蔵された酸素がほぼ全て放出されたと判断されるまでは、微分項による空燃比センサの出力の補正を禁止又は抑制するようになっており、それにより、リッチ化制御の末期において酸素センサの出力がリーンを示す値からリッチを示す値へ急激に変化しても、この時に、微分項による空燃比センサの出力の補正は禁止又は抑制されているために、燃焼空燃比が大きくリーン側へ補正されるようなことはなく、リッチ化制御により三元触媒装置の吸蔵酸素をほぼ全て放出させることができる。
【００１５】
本発明による請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、三元触媒装置の劣化状態に基づき決定された期間がリッチ化制御開始から経過した時に、フューエルカット直後のリッチ化制御においてＯ2ストレージ能力により三元触媒装置に吸蔵された酸素がほぼ全て放出されたと判断するようになっており、三元触媒装置の劣化状態によりＯ2ストレージ能力が変化しても確実に三元触媒装置に吸蔵された酸素がほぼ全て放出されたと判断することができる。
【００１６】
本発明による請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、酸素センサの出力が、設定リッチ空燃比に対応する値となった時に、フューエルカット直後のリッチ化制御においてＯ2ストレージ能力により三元触媒装置に吸蔵された酸素がほぼ全て放出されたと判断するようになっており、三元触媒装置の劣化状態によりＯ2ストレージ能力が変化しても確実に三元触媒装置に吸蔵された酸素がほぼ全て放出されたと判断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は機関排気系を示す概略図であり、１は三元触媒装置であり、２は三元触媒装置１の上流側に配置された空燃比センサであり、３は三元触媒装置１の下流側に配置された酸素センサである。空燃比センサ２及び酸素センサ３は、いずれも排気ガス中の酸素濃度に応じて出力電圧が変化するものであり、空燃比センサ２は排気ガスの空燃比に対応して出力がリニアに変化するリニア出力型であり、酸素センサ３は排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍である時に出力が急激に変化するステップ出力型である。
【００１８】
本発明による空燃比制御装置は、空燃比センサ２の出力に基づき燃焼空燃比を所望空燃比にフィードバック制御するものである。空燃比センサ２は、三元触媒装置１の上流側に配置されて、常に未浄化の排気ガスに晒されているために、出力の信頼性がそれほど高くなく、出力がリッチ側又はリーン側へずれることがある。それにより、三元触媒装置１の下流側に配置されて、未浄化の排気ガスに晒されることなく、また、一般的に、排気ガスの空燃比がリッチであるかリーンであるかを検出するのに使用され、出力の信頼性の高い酸素センサ３の出力に基づき、空燃比センサの出力を補正するようにしている。
【００１９】
燃焼空燃比のフィードバック制御に使用される空燃比センサ２の出力Ｖは、目標燃焼空燃比を理論空燃比とする運転時において、以下のように補正されて出力Ｖ’とされる。
Ｖ’＝Ｖ＋Ｐ＋Ｉ＋Ｄ
ここで、Ｐは理論空燃比に対する基準出力（例えば、０．５ボルト）と酸素センサ３の実際の出力との偏差ｄに所定ゲインＰｇを乗算した比例項であり、Ｉは設定回数の偏差ｄの積算値に所定ゲインＩｇを乗算した積分項であり、Ｄは酸素センサ３の出力変化ｖi−ｖi-1に所定ゲインＤｇを乗算した微分項である。こうして、積分項Ｉは、空燃比センサ２の出力の現在の傾向的なずれを補正するものとなり、比例項Ｐは、積分項Ｉにより補正された空燃比センサ２の出力の現在のずれを補正するものとなり、微分項Ｄは、酸素センサ３の出力変化を無くすように空燃比センサ２の出力を補正するものとなる。このように補正された空燃比センサ２の出力Ｖ’に基づき排気ガスの空燃比を正確に推定し、燃焼空燃比が理論空燃比となるように、エアフローメータにより検出される吸入空気量に対して燃料噴射量をフィードバック補正することとなる。
【００２０】
本空燃比制御装置は、内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比（ストイキ）に制御するものであるが、図２のタイムチャートに示すように、機関減速時等に燃料消費を低減するためにフューエルカットＦ／Ｃが実施される時には、もちろん、燃料噴射が停止されるために空燃比制御は実施されない。フューエルカットＦ／Ｃ中には、酸素を多量に含む空気が排気ガスとして三元触媒装置１へ流入するために、三元触媒装置１には、Ｏ2ストレージ能力の最大吸蔵可能酸素量まで酸素が吸蔵されてしまう。それにより、そのままでは、フューエルカット後において、燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとなった時には、三元触媒装置１は余剰の酸素を良好に吸蔵することができず、ＮＯXの浄化能力が低下してしまう。
【００２１】
従って、フューエルカットＦ／Ｃ直後には、燃焼空燃比を所望リッチ空燃比に制御し、フューエルカット中に三元触媒装置１に吸蔵された酸素をほぼ全て放出させ、燃焼空燃比がリーンとなる時に備えることが好ましい。このフューエルカットＦ／Ｃ直後のリッチ化制御が完了すれば、目標燃焼空燃比を理論空燃比とするストイキ制御が開始される。
【００２２】
酸素センサ３の理論空燃比に対する基準出力と酸素センサ３の実際の出力との偏差ｄは、フューエルカット中及びその直後のリッチ化制御中においては、算出することができず、必然的に、リッチ化制御において、空燃比センサ２の出力を比例項Ｐにより補正することはできない。また、リッチ化制御中において、空燃比センサ２の出力を積分項Ｉにより補正して燃焼空燃比を所望リッチ空燃比に制御することが好ましい。
【００２３】
また、フューエルカット直後のリッチ化制御の当初は、酸素センサ３の出力はリーンを示す値（０ボルト近傍）を推移して大きく変化しないために、微分項Ｄの絶対値は小さくなり、微分項Ｄによる補正を実施しても特に問題はない。しかしながら、リッチ化制御の末期となると、三元触媒装置１の吸蔵酸素量は僅かとなり、酸素センサ３の出力は、リーンを示す値（０ボルト近傍）から理論空燃比を示す値（０．５ボルト）を超えてリッチを示す値へ急激に変化し、この時に、微分項Ｄによる補正が実施されていると、微分項Ｄは空燃比センサ２の出力を大幅にリーン側へ補正してしまう。それにより、燃焼空燃比は、所望リッチ空燃比からリーン空燃比へ急激に変更され、フューエルカット中に三元触媒装置１に吸蔵された酸素を十分に放出させることができなくなると共に、燃焼空燃比の大幅な変更に伴って比較的大きなトルクショックが発生する。
【００２４】
本空燃比制御装置は、図３に示す第一フローチャートによりリッチ化制御により三元触媒装置に吸蔵された酸素をほぼ全て放出されるようにしている。先ず、ステップ１０１において、フューエルカット直後のリッチ化制御中であるか否かが判断される。この判断が否定される時にはステップ１０５へ進み、以下に説明される微分項補正禁止中であるか否かが判断されるが、通常のストイキ制御中の場合は、この判断は否定されてそのまま終了する。一方、フューエルカット直後のリッチ化制御中である時には、ステップ１０１の判断が肯定され、ステップ１０２において、微分項Ｄによる空燃比センサ２の出力の補正は禁止される。次いで、ステップ１０３において、酸素センサ３の出力が理論空燃比に対応する値（０．５ボルト）に達したか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、ステップ１０３の判断が肯定される時には、リッチ化制御によって三元触媒装置１に吸蔵されている酸素はほぼ全て放出されたとして、ステップ１０４において、リッチ化制御を完了し、目標空燃比を理論空燃比とするストイキ制御が開始される。それと同時に、比例項Ｐによる空燃比センサ２の出力の補正も開始される。
【００２５】
次いで、ステップ１０５において、微分項Ｄによる空燃比センサ２の出力の補正が禁止されているか否かが判断される。リッチ化制御完了直後は、ステップ１０２において微分項Ｄによる補正は禁止されているために、ステップ１０５の判断は肯定されてステップ１０６へ進む。ステップ１０６において、酸素センサ３の出力が理論空燃比より僅かにリッチな空燃比に対応する値（０．６ボルト）に達したか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、この時には、ステップ１０１及び１０５を通り、再びステップ１０６の判断となり、この流れはステップ１０６の判断が肯定されるまで繰り返される。ステップ１０６の判断が肯定されると、ステップ１０７において、微分項Ｄによる空燃比センサ２の出力の補正の禁止が解除される。それにより、三元触媒装置１に吸蔵されている酸素がほぼ全て放出されるまでリッチ化制御において燃焼空燃比はリッチ空燃比に維持され、酸素の放出が不十分となることは防止される。もちろん、酸素センサ３の出力が理論空燃比に対応する値（０．５ボルト）に達すれば、三元触媒装置１に吸蔵されている酸素はほぼ全て放出されており、この時に微分項Ｄによる補正の禁止を解除するようにしても良い。
【００２６】
図２に示すように、酸素センサ３の出力が理論空燃比に対応する値（０．５ボルト）に達した時にリッチ化制御が完了して目標空燃比を理論空燃比とするストイキ制御が開始されるが、それと同時に理論空燃比近傍の排気ガスが三元触媒装置１へ流入することはなく、酸素センサ３の出力は、リッチ化制御を完了する直前のリッチ空燃比の排気ガスによって理論空燃比より僅かにリッチを示す値（約０．６ボルト）まで変化し、その後、酸素センサ３の出力は理論空燃比の排気ガスが三元触媒装置１へ流入して理論空燃比を示す値近傍で推移する。
【００２７】
それにより、リッチ化制御の完了（酸素センサ３の出力が０．５ボルトとなった時）と同時に微分項Ｄによる空燃比センサ２の出力の補正を開始すると、その後の酸素センサ３の出力のリッチ側への変化により空燃比センサ２の出力は大きくリーン側へ補正され、燃焼空燃比の大幅な変更によって比較的大きなトルクショックが発生してしまう。それにより、本フローチャートでは、酸素センサ３の出力が理論空燃比より僅かにリッチな設定リッチ空燃比に対応する値（０．６ボルト）に達するまで、微分項Ｄによる補正の禁止を解除しないようにしている。
【００２８】
図４は、図３の第一フローチャートに代えて実施される第二フローチャートを示している。第一フローチャートとの違いについてのみ以下に説明する。第二フローチャートでは、リッチ化制御が開始されると、ステップ２０３において、図５に示すマップに基づき、三元触媒装置１の現在の劣化程度によって微分項Ｄによる補正禁止期間ｔ１を設定するようになっている。この補正禁止期間ｔ１は、リッチ化制御が開始されてから酸素センサ３の出力が理論空燃比より僅かにリッチな設定リッチ空燃比に対応する値（０．６ボルト）に達するまでの時間であり、この時間は、三元触媒装置１が劣化するほどＯ2ストレージ能力が低下するために短くなる。
【００２９】
ステップ２０７では、リッチ化制御が開始されてからの経過時間ｔが補正禁止期間ｔ１に達したか否かが判断され、この判断が肯定される時に、微分項Ｄによる空燃比センサ２の出力の補正禁止を解除するようになっている。それにより、図３の第一フローチャートと同様な効果を得ることができる。
【００３０】
前述の第一及び第二フローチャートにおいて、酸素センサ３の出力が理論空燃比に対応する値となった時にリッチ化制御を完了するようにしたが、もちろん、三元触媒装置１の劣化程度に応じてリッチ化制御期間を設定し、リッチ化制御開始からこの期間が経過した時にリッチ化制御を完了するようにしても良い。三元触媒装置１の劣化程度により決定されるリッチ化制御期間は、同じ劣化程度により決定される前述の補正禁止期間ｔ１より僅かに短くなる。
【００３１】
第一及び第二フローチャートにおいて、微分項Ｄによる空燃比センサの出力の補正を禁止することに代えて、例えば、微分項ＤのゲインＤｇを非常に小さくして算出される微分項Ｄの絶対値も非常に小さくし、微分項Ｄによる空燃比センサの出力の補正を抑制するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による空燃比制御装置が制御する内燃機関の排気系を示す概略図である。
【図２】目標空燃比及び酸素センサ出力の変化を示すタイムチャートである。
【図３】本発明による空燃比制御装置により実施される第一フローチャートである。
【図４】本発明による空燃比制御装置により実施される第二フローチャートである。
【図５】微分項補正禁止期間を決定するためのマップである。
【符号の説明】
【００３３】
１    三元触媒装置
２    空燃比センサ
３    酸素センサ
【図１】
2007198259.tif 000003
【図２】
2007198259.tif 000004
【図３】
2007198259.tif 000005
【図４】
2007198259.tif 000006
【図５】
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